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GZK Cutoff nach den Physikern Kenneth Greisen 1 Georgi Sazepin und Wadim Kusmin 2 die sie im Jahre 1966 errechneten ist

GZK-Cutoff

GZK-Cutoff (nach den Physikern Kenneth Greisen, Georgi Sazepin und Wadim Kusmin, die sie im Jahre 1966 errechneten) ist die Obergrenze (engl. cutoff) für die Energie kosmischer Protonenstrahlung sehr weit entfernter (⪆ 50 Mpc) Quellen. Die Grenze liegt bei 5·1019 eV (50 EeV). Es geht dabei um Protonen mit so hohen Energien, dass ihre Geschwindigkeit ≈ 99,99999999999999999998% der Lichtgeschwindigkeit beträgt.

Theorie Bearbeiten

Geladene Protonen extrem hoher Energie „sehen“ durch den Doppler-Effekt auf Grund ihrer Geschwindigkeit Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung um den Faktor 1011 und mehr blauverschoben.

Dadurch kann es durch den Compton-Effekt zu elastischen Streuungen oder beginnend ab etwa 6 · 1019 eV zu Kernprozessen kommen.

Ab dieser Energie werden Teile der Hintergrundstrahlung zunehmend als Gammastrahlung mit mehr als 300 MeV „gesehen“, was die Bildung von Delta-Baryonen (angeregte Protonen, die den Spin des Photons „geschluckt“ haben; auch als „Delta-Resonanz“ bezeichnet) mit einer knapp 300 MeV höheren Masse als Protonen (1232 MeV vs. 938,3 MeV) ermöglicht, die mit einer Lebensdauer von 5,6 · 10−24 Sekunden unter Bildung eines Pions wieder zerfallen.

Die häufigsten Kernreaktionen (>99 %) lauten

und

und erzeugen ein Delta-Baryon , das wiederum in ein Nukleon (Proton oder Neutron ) sowie ein Pion (neutral oder geladen ) zerfällt. Das Proton verliert dabei durch Übertragung von Impuls auf das Pion knapp 15 % seiner Energie und ändert seine Richtung. Der Energieverlust durch Impulsübertrag liegt dabei mit etwa 1019 eV viele Größenordnungen über der Energie für die Erzeugung des Pions mit 108 eV. Liegt die Energie des Protons immer noch über dieser Schwelle, so kann die Reaktion erneut stattfinden. Für sehr weit entfernte Quellen (> 100 Mio. Lichtjahre) ist die Wahrscheinlichkeit, ohne Stoß durchzukommen, sehr gering. Man spricht von GZK-Unterdrückung oder dem GZK-Effekt.

Andere Partikel Bearbeiten

Elektronen Bearbeiten

Elektronen bilden keine Deltaresonanzen, unterliegen allerdings wesentlich stärker der Compton-Streuung, der Wirkungsquerschnitt berechnet sich zu Klein-Nishina-Wirkungsquerschnitt.

Atomkerne Bearbeiten

Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Protonen und Alpha-Teilchen. Alpha-Teilchen sind etwa viermal so schwer wie Protonen und benötigen die vierfache kinetische Energie zur Ausbildung von Delta-Resonanzen.

Beobachtungen Bearbeiten

Zwar besteht die kosmische Strahlung bei den höchsten Energien nicht nur aus Protonen, sondern aus einer Mischung verschiedener Atomkerne, aber auch diese werden durch Wechselwirkung mit der kosmischen Hintergrundstrahlung abgebremst. Der GZK-Effekt wird daher grundsätzlich unabhängig von der genauen Zusammensetzung der kosmischen Strahlung erwartet, wobei das Ausmaß und Schwell-Energie der GZK-Unterdrückung von der nur ungenau bekannten Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung abhängen.

Die experimentellen Resultate bezüglich der höchstenergetischen kosmischen Strahlung erschienen zunächst widersprüchlich. Während das AGASA-Experiment der Universität Tokio Teilchen oberhalb der GZK-Energie registriert haben will, sind die Daten der HiRes-Kollaboration mit dem GZK-Cutoff verträglich. Das Pierre-Auger-Observatorium und das Telescope-Array-Projekt haben inzwischen bestätigt, dass es im Energiespektrum der kosmischen Strahlung tatsächlich einen Abbruch gibt, dessen Energie mit dem erwarteten GZK-Cutoff im Rahmen der Mess- und Vorhersage-Unsicherheiten übereinstimmt.

Die extrem seltenen Ereignisse, die bei Energien jenseits der GZK-Grenze gemessen wurden, müssen von nähergelegenen Quellen stammen. Tatsächlich korreliert die beobachtete Richtungsverteilung mit aus dem optischen Bereich bekannten potentiellen Quellen. Allerdings ist noch nicht sicher geklärt, ob der GZK-Cutoff tatsächlich die Hauptursache dafür ist, dass bei höheren Energien deutlich weniger Teilchen die Erde erreichen. Eine alternative Erklärung ist, dass die Maximalenergie der Quellen der kosmischen Strahlung bei einer ähnlichen Energie liegen könnte. Mit dem derzeit durchgeführten Upgrade des Pierre-Auger-Observatoriums soll dessen Messgenauigkeit soweit erhöht werden, dass dieses Szenario vom GZK-Cutoff unterschieden werden kann.

Genaue Messungen im Bereich der GZK-Energie können außerdem verwendet werden, um Theorien für noch unbekannte physikalische Effekte zu testen, beispielsweise Szenarien der Schleifenquantengravitation. Diese sagt eine höhere Energieschwelle als 6 · 1019 eV voraus.

Quellenangaben Bearbeiten

  1. Kenneth Greisen: End to the Cosmic-Ray Spectrum? In: Physical Review Letters. 16. Jahrgang, Nr. 17, 1966, S. 748–750, doi:10.1103/PhysRevLett.16.748 (englisch).
  2. G. T. Zatsepin, V. A. Kuz'min: Upper Limit of the Spectrum of Cosmic Rays. In: Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. 4. Jahrgang, 1966, S. 78–80, bibcode:1966JETPL...4...78Z (englisch, jetpletters.ac.ru [PDF]).
  3. ↑ The Pierre Auger Collaboration: The Pierre Auger Observatory Upgrade - Preliminary Design Report, 2016, arxiv:1604.03637 [astro-ph]
  4. M. Takeda et al.: Energy determination in the Akeno Giant Air Shower Array experiment Astropart.Phys. 19 (2003) 447–462, arxiv:astro-ph/0209422v3
  5. HiRes Collaboration: First Observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin Suppression Phys. Rev. Lett. 100, 101101 (2008), arxiv:astro-ph/0703099v2
  6. The Pierre Auger Collaboration: Observation of the suppression of the flux of cosmic rays above 4x10^19eV. Phys. Rev. Lett. 101, 061101 (2008), arxiv:0806.4302v1
  7. The Telescope Array Collaboration: The Cosmic-Ray Energy Spectrum Oberved with the Surface Detector of the Telescope Array Experiment. Astrophysical Journal Letters 768 (2013) 1, arxiv:1205.5067
  8. The Pierre Auger Collaboration: Update on the correlation of the highest energy cosmic rays with nearby extragalactic matter. Astropart.Phys. 34 (2010), S. 314–326, arxiv:1009.1855v2 [astro-ph]
  9. Jorge Alfaro, Gonzalo Palma: Loop Quantum Gravity and Ultra High Energy Cosmic Rays. In: Phys. Rev. D. Band 67, 2003, S. 083003, doi:10.1103/PhysRevD.67.083003, arxiv:hep-th/0208193.

Weblinks Bearbeiten

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GZK Cutoff nach den Physikern Kenneth Greisen 1 Georgi Sazepin und Wadim Kusmin 2 die sie im Jahre 1966 errechneten ist die Obergrenze engl cutoff fur die Energie kosmischer Protonenstrahlung sehr weit entfernter 50 Mpc Quellen Die Grenze liegt bei 5 1019 eV 50 EeV Es geht dabei um Protonen mit so hohen Energien dass ihre Geschwindigkeit 7002100000000000000 99 999999 999 999 999 999 98 der Lichtgeschwindigkeit betragt Inhaltsverzeichnis 1 Theorie 2 Andere Partikel 2 1 Elektronen 2 2 Atomkerne 3 Beobachtungen 4 Quellenangaben 5 WeblinksTheorie BearbeitenGeladene Protonen extrem hoher Energie sehen durch den Doppler Effekt auf Grund ihrer Geschwindigkeit Photonen g displaystyle gamma nbsp der kosmischen Hintergrundstrahlung um den Faktor 1011 und mehr blauverschoben Dadurch kann es durch den Compton Effekt zu elastischen Streuungen oder beginnend ab etwa 6 1019 eV zu Kernprozessen kommen Ab dieser Energie werden Teile der Hintergrundstrahlung zunehmend als Gammastrahlung mit mehr als 300 MeV gesehen was die Bildung von Delta Baryonen D displaystyle Delta nbsp angeregte Protonen die den Spin des Photons geschluckt haben auch als Delta Resonanz bezeichnet mit einer knapp 300 MeV hoheren Masse als Protonen 1232 MeV vs 938 3 MeV ermoglicht die mit einer Lebensdauer von 5 6 10 24 Sekunden unter Bildung eines Pions wieder zerfallen Die haufigsten Kernreaktionen gt 99 lauten p g D p p 0 displaystyle p gamma rightarrow Delta rightarrow p pi 0 nbsp und p g D n p displaystyle p gamma rightarrow Delta rightarrow n pi nbsp und erzeugen ein Delta Baryon D displaystyle Delta nbsp das wiederum in ein Nukleon Proton p displaystyle p nbsp oder Neutron n displaystyle n nbsp sowie ein Pion neutral p 0 displaystyle pi 0 nbsp oder geladen p displaystyle pi nbsp zerfallt Das Proton verliert dabei durch Ubertragung von Impuls auf das Pion knapp 15 seiner Energie und andert seine Richtung Der Energieverlust durch Impulsubertrag liegt dabei mit etwa 1019 eV viele Grossenordnungen uber der Energie fur die Erzeugung des Pions mit 108 eV Liegt die Energie des Protons immer noch uber dieser Schwelle so kann die Reaktion erneut stattfinden Fur sehr weit entfernte Quellen gt 100 Mio Lichtjahre ist die Wahrscheinlichkeit ohne Stoss durchzukommen sehr gering Man spricht von GZK Unterdruckung oder dem GZK Effekt Andere Partikel BearbeitenElektronen Bearbeiten Elektronen bilden keine Deltaresonanzen unterliegen allerdings wesentlich starker der Compton Streuung der Wirkungsquerschnitt berechnet sich zu Klein Nishina Wirkungsquerschnitt Atomkerne Bearbeiten Kosmische Strahlung besteht hauptsachlich aus Protonen und Alpha Teilchen Alpha Teilchen sind etwa viermal so schwer wie Protonen und benotigen die vierfache kinetische Energie zur Ausbildung von Delta Resonanzen Beobachtungen BearbeitenZwar besteht die kosmische Strahlung bei den hochsten Energien nicht nur aus Protonen sondern aus einer Mischung verschiedener Atomkerne aber auch diese werden durch Wechselwirkung mit der kosmischen Hintergrundstrahlung abgebremst Der GZK Effekt wird daher grundsatzlich unabhangig von der genauen Zusammensetzung der kosmischen Strahlung erwartet wobei das Ausmass und Schwell Energie der GZK Unterdruckung von der nur ungenau bekannten Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung abhangen 3 Die experimentellen Resultate bezuglich der hochstenergetischen kosmischen Strahlung erschienen zunachst widerspruchlich Wahrend das AGASA Experiment der Universitat Tokio Teilchen oberhalb der GZK Energie registriert haben will 4 sind die Daten der HiRes Kollaboration mit dem GZK Cutoff vertraglich 5 Das Pierre Auger Observatorium 6 und das Telescope Array Projekt 7 haben inzwischen bestatigt dass es im Energiespektrum der kosmischen Strahlung tatsachlich einen Abbruch gibt dessen Energie mit dem erwarteten GZK Cutoff im Rahmen der Mess und Vorhersage Unsicherheiten ubereinstimmt Die extrem seltenen Ereignisse die bei Energien jenseits der GZK Grenze gemessen wurden mussen von nahergelegenen Quellen stammen Tatsachlich korreliert die beobachtete Richtungsverteilung mit aus dem optischen Bereich bekannten potentiellen Quellen 8 Allerdings ist noch nicht sicher geklart ob der GZK Cutoff tatsachlich die Hauptursache dafur ist dass bei hoheren Energien deutlich weniger Teilchen die Erde erreichen Eine alternative Erklarung ist dass die Maximalenergie der Quellen der kosmischen Strahlung bei einer ahnlichen Energie liegen konnte Mit dem derzeit durchgefuhrten Upgrade des Pierre Auger Observatoriums soll dessen Messgenauigkeit soweit erhoht werden dass dieses Szenario vom GZK Cutoff unterschieden werden kann 3 Genaue Messungen im Bereich der GZK Energie konnen ausserdem verwendet werden um Theorien fur noch unbekannte physikalische Effekte zu testen beispielsweise Szenarien der Schleifenquantengravitation Diese sagt eine hohere Energieschwelle als 6 1019 eV voraus 9 Quellenangaben Bearbeiten Kenneth Greisen End to the Cosmic Ray Spectrum In Physical Review Letters 16 Jahrgang Nr 17 1966 S 748 750 doi 10 1103 PhysRevLett 16 748 englisch G T Zatsepin V A Kuz min Upper Limit of the Spectrum of Cosmic Rays In Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters 4 Jahrgang 1966 S 78 80 bibcode 1966JETPL 4 78Z englisch jetpletters ac ru PDF a b The Pierre Auger Collaboration The Pierre Auger Observatory Upgrade Preliminary Design Report 2016 arxiv 1604 03637 astro ph M Takeda et al Energy determination in the Akeno Giant Air Shower Array experiment Astropart Phys 19 2003 447 462 arxiv astro ph 0209422v3 HiRes Collaboration First Observation of the Greisen Zatsepin Kuzmin Suppression Phys Rev Lett 100 101101 2008 arxiv astro ph 0703099v2 The Pierre Auger Collaboration Observation of the suppression of the flux of cosmic rays above 4x10 19eV Phys Rev Lett 101 061101 2008 arxiv 0806 4302v1 The Telescope Array Collaboration The Cosmic Ray Energy Spectrum Oberved with the Surface Detector of the Telescope Array Experiment Astrophysical Journal Letters 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